Temperatura in gradi centigradi; R{T)

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1 Maturità AMBRA 1994 Sessione ordinaria Un'azienda automobilistica, nel corso dei test su pista di un nuovo tipo di motore, intende monitorare in tempo reale la temperatura di fimzionamento in otto punti del motore. A tal fine vengono impiegate delle termoresistenze, in cui la dipendenza della resistenza elettrica dalla temperatura si può supporre data dalla seguente relazione: R{T) = R{0)-(\ at) cono < r<400 C dove T Temperatura in gradi centigradi; R{T) Resistenza elettrica a T C; Resistenza a 0 C; R{0) a = = "' Q C ' Costante di temperatura nel range di impiego. I punti del motore in cui si fa il rilevamento sono i seguenti : 1) Liquido di raffreddamento, con range C; 2) Liquido lubrificante, con range C; 3) Collettore di scarico, con range C; 4) N 5 punti localizzati sulla struttura metallica, con range C. Un sistema basato su P.C. deve acquisire i dati di temperatura ogni 5 secondi con risoluzione a 8 bit, deve visualizzarli su display alfanumerico e inviarli ad una stazione fissa di controllo posta ai margini della pista, ad una distanza massima dal veicolo di 1 Km. II candidato, formulate le necessarie ipotesi aggiuntive : a) elabori lo schema a blocchi dettagliato di un sistema di acquisizione dei dati adeguato alle problematiche proposte, illustrando le soluzioni adottate e le interazioni fra i vari componenti; b) progetti, dimensionandola almeno in un caso, l'elettronica d'interfacciamento dei sensori; c) rappresenti, nel modo che ritiene più opportuno, le procedure relative alla gestione generale del sistema; d) progetti e codifichi in un linguaggio di propria conoscenza, sulla base dell'hardware proposto, la procedura di acquisizione di un valore di temperatura; e) illustri un sistema idoneo al collegamento con la stazione di controllo. Soluzione a) Schema a blocchi n f - Lo schema a blocchi è mostrato in Fig. 72; le funzioni svolte dai diversi blocchi sono : SO - S7 sono le otto termoresistenze T ^ V convertitore temperatura/tensione è il dispositivo a cui è applicata come ingresso la grandezza temperatura e fornisce in uscita una tensione ad essa proporzionale. In realtà, a sua volta, esso è costituito da due blocchi come mostrato di seguito Il blocco A riceve in ingresso il segnale di temperatura e fornisce in uscita una tensione il cui valore è proporzionale al valore della resistenza V^=kR(T) = K(l + at)

2 AMBRA Il blocco B riceve invece al suo ingresso il segnale in tensione proveniente dall'uscita del blocco A e fornisce alla propria uscita una tensione V^^ variabile tra 0 e 10 V in corrispondenza di una variazione di temperatura, per ogni sensore, tra il suo valore minimo ed il suo valore massimo. Facciamo l'ipotesi di lavoro di utilizzare un A/D con tensione di fondo scala di 10 V in questo modo si ha un'utilizzazione ottimale del convertitore poiché, potendo utilizzare tutto il range permesso, si minimizza l'errore relativo. SO st S2 T-> V- V. T-> V- A M U X ADC sv Sistema a microprocessore TIMER TX Logica di controllo Fig Schema a blocchi AMUX è un multiplexer analogico ad 8 ingressi; è dotato di 3 ingressi di selezione del canale, può avere o meno al proprio intemo 3 flip-flop per memorizzare l'indirizzo del canale. Se questi flip-flop sono presenti il multiplexer deve essere dotato di un ingresso supplementare, chiamato di solito ALE (Address Latch Enable), che attiva il clock per i 3 flip-flop (Fig. 73); il segnale ALE viene generato dalla logica di controllo quando il microprocessore effettua un'istruzione di OUT (sia il j,p Z80 sia il J,P 8086 effettuano l'indirizzamento dei dispositivi di input/output con la tecnica dell'i/o isolato). Se il multiplexer non contiene al suo interno un sistema di memorizzazione degli indirizzi questo deve essere presente allora nel blocco chiamato Logica di Controllo. Ingressi Analogici AMUX Selezione canale ALE all'adc Indirizzi Segnali di Controllo Logica di controllo Fig Modalità di comando del multiplexer Nello schema a blocchi, non è presente alcun modulo Sample&Hold in quanto la grandezza fisica in oggetto, la temperatura, non subisce variazioni apprezzabili nell'arco di tempo di una conversione dell'a/d che ha, come ordine di grandezza, un valore tipico di un centinaio di microsecondi. Nel caso questo modulo fosse comimque necessario, esso andrebbe inserito tra l'uscita del multiplexer e l'ingresso del convertitore A/D.

3 526 TEMI DELLA PROVA SCRITTA DI MATURITÀ ADC è un convertitore analogico digitale con tensione di fondo scala di 10 V. Scegliamo un convertitore interfacciabile direttamente sul bus dati di un microprocessore tipo Z80 o 8086 owero dotato dei segnali WR ed RD che si collegano direttamente ai pin omonimi del i^p. Lo start della conversione è effettuato con un'operazione di OUT da parte del microprocessore e la lettura del dato con un'operazione di IN allo stesso indirizzo. Durante l'esecuzione di queste istruzioni oltre ai segnali di cui sopra, utilizzati dal convertitore per distinguere le operazioni di ADC a 8 bit scrittura da quelle di lettura, si attiva anche il WKIUy CS segnale di controllo lorq nel caso di ^P Z80 oppure M / IO per r8086, che viene utilizzato per abilitare il circuito di decodifica la cui uscita attiverà il pin di selezione dispositivo del convertitore. La fine conversione viene indicata da un apposito segnale di stato del convertitore, non mostrato in figura; facciamo comunque la scelta di determinare la fine della conversione mediante un ciclo di attesa da parte del J.P. TIMER è il dispositivo di conteggio. Esso utilizza o un clock esterno o il clock di sistema. Il suo scopo è quello di determinare gli intervalli di tempo di 5s che è appunto il tempo richiesto tra un'acquisizione e l'altra. Allo scadere dei 5s il dispositivo timer avverte il microprocessore mediante la tecnica dell'interrupt. Con un sistema a microprocessore Z80 il timer può essere costituito dal dispositivo programmabile CTC Z80, mentre nel caso deir8086 si può utilizzare il dispositivo timer 8253, anch'esso programmabile. SV è il sistema di visualizzazione che comprende sia i display a 7 segmenti, sia i driver per gli stessi, sia l'interfaccia di I/O tra microprocessore e driver. Il sistema di visualizzazione deve permettere la visualizzazione degli 8 valori di temperatura, tanti quanti sono i sensori. Il campo di variazione della temperatura necessita per essere visualizzato di 3 display a 7 segmenti. Si riporta in Fig. 74 Io schema d'interfaccia relativo ad un gruppo di tre display corrispondenti alla visualizzazione della temperatura di un punto soltanto. Ci sono altri sette moduli come questo per poter visualizzare tutte le temperature per cui il numero complessivo dei display è 24. DD DD DD al decoder A 4 latch 4 latch 4 latch Bus Dati Fig Interfaccia per i display a sette segmenti TX è il dispositivo trasmettitore con il quale si inviano i dati convertiti al centro di controllo. Sul tipo di trasmissione la scelta è obbligata; essa deve avvenire via radio; infatti la mancanza di un qualsiasi supporto fisico tra l'autoveicolo ed il centro di

4 AMBRA controllo non permette una trasmissione di tipo diverso. Il trasmettitore è costituito essenzialmente da un circuito modulatore comandato dal microprocessore, da un oscillatore che genera la frequenza portante e da un amplificatore di potenza. SISTEMA a MICROPROCESSORE si fa carico della gestione complessiva di tutto il sistema. Esso seleziona il canale dell'amux, dà inizio all'acquisizione, legge il dato convertito e lo memorizza; alla fine del ciclo di acquisizione degli 8 campioni li invia al trasmettitore. Si fa anche carico dell'invio dei dati al sistema di visualizzazione. Nel seguito faremo riferimento, per quanto concerne il software, al microprocessore Z80 e/o LOGICA di CONTROLLO riceve gli indirizzi ed i segnali di controllo dal microprocessore, genera di conseguenza i segnali che servono ad attivare l'inizio della conversione, per far uscire i dati dal convertitore a conversione finita; attiva anche i segnali che servono al muhiplexer per selezionare il canale d'ingresso e se necessario per memorizzare l'indirizzo del canale. Dalla logica di controllo escono anche i segnali che attivano i latch di memorizzazione per i decoder-driver del sistema di visualizzazione. Nota: Facendo una scelta alternativa si potrebbe utilizzare un convertitore A/D dotato di multiplexer incorporato al suo interno; questa eventuale differente scelta non cambia la struttura generale dello schema a blocchi mostrato in precedenza; cambia in generale il tipo di comando da inviare al convertitore per attivare i segnali necessari; anche il software non subisce grandi variazioni. La scelta del tipo di A/D e del tipo di microprocessore, va fatta esaminando il sistema nel suo complesso, quindi non dipende solo dal tipo di convertitore, ma anche dai dispositivi di supporto che sono necessari al funzionamento di tutto il sistema. b) Interfacciamento sensori Per convertire la grandezza temperatura in un segnale in tensione come mostrato nello schema a blocchi di pag. 524 possiamo ricorrere al circuito di Fig, 75 dove Al fimziona da convertitore tensione/corrente ed A2 funziona da traslatore. Fig Convertitore temperatura/tensione Nel convertitore tensione/corrente Al la corrente che circola nella resistenza Rj è determinata unicamente dalla tensione V^.^^ e dalla resistenza R mentre è indipendente dal valore della termoresistenza Rj ed è data da

5 528 TEMI DELLA PROVA SCRITTA DI MATURITÀ La tensione d'uscita F è dove si è indicato con RQ la resistenza a 0 C. La tensione di riferimento e la resistenza R vanno scelti in modo che la corrente che circola in Rj. non ne causi un sensibile autoriscaldamento. Scegliamo la resistenza R uguale a 50 volte il valore RQ della termoresistenza a 0 C ed una tensione di riferimento F^^= +5 V, si ottiene pertanto F, = -O.2.(l + a70 [V] => F, ^^^=0.2-(l + «7;^) Nel caso peggiore di 7"^^^^^ = 400 C si trova che la tensione massima in uscita dal convertitore tensione-corrente risuha, in valore assoluto, V. = V che è un valore accettabile; la ^ max corrente nella termoresistenza, di valore costante e pari a /«^ = 1 ma, determina quindi, al massimo, una dissipazione di potenza di mw, valore molto piccolo per causare un sensibile autoriscaldamento. Per adattare la tensione in uscita dal convertitore V/I al range del convertitore A/D occorre compensare la componente presente in in corrispondenza del valore inferiore di temperatura; per far ciò occorre effettuare una traslazione del segnale che può essere realizzata con il circuito costituito da A2 (Fig. 75). La tensione F^ ( in uscita da A2 è data da R R H. H. V,,,=--fv,--^V,,f=0.2-f(l + at)-5-f- (Volt) [#] e da questa AF,=0.2.a^ Ar (Volt) [##] Utilizziamo un convertitore A/D con tensione di fondo scala 10 V; per sfruttare al meglio il convertitore è necessario che ogni sensore, pur sottoposto ad differenti variazioni di temperatura, fornisca in ingresso all'a/d la medesima variazione di tensione. Per ottenere in uscita una variazione di tensione di 10 V per ogni sensore, poiché ognuno di questi è sottoposto a differenti variazioni AT di temperatura, avremo diversi valori del rapporto R^ IR^. Dalla equazione [ # # ] che fornisce AF^^^ si ricava la tabella 1 (scegliendo = 1 KQ) Tabella 1 Punto del motore M R^mYSl /?^inkq Liquido raffreddamento Liquido lubrificante Collettore Struttura '

6 AMBRA Anche il valore della resistenza sarà diverso per ogni traslatore: si desidera a\er una tensione V^^^ = 0 V in corrispondenza di 7* = Tj^;^ per ognuno di essi, pertanto, dalla equazione che fornisce ricaviamo Si ottiene la tabella 2. Tabella 2 Punto del motore T i?^ inkq Liquido raffreddamento Liquido lubrificante Collettore Struttura c) Gestione generale L'acquisizione dei dati viene fatta durante una subroutine d'interruzione che viene lanciata ogni 5s dal circuito temporizzatore. Durante la subroutine il microprocessore effettua le operazioni descritte di seguito. Alla fine dell'acquisizione degli otto valori di temperatura, ogni dato acquisito deve essere convertito da numero binario a munero BCD per poter essere visualizzato sui display a 7 segmenti. I dati vengono quindi inviati al dispositivo di modulazione del trasmettitore. 1) salvataggio dello stato della CPU; 2) seleziona il canale del multiplexer ; 3) fa partire la conversione; 4) fa un ciclo di attesa per permettere al convertitore di fare la conversione; 5) legge il dato convertito; 6) memorizza il dato; 7) ripete la procedura da 2) a 6) per tutti i canali; 8) ripristino dello stato della CPU; 9) ritorno dall'interruzione. d) Procedura di acquisizione L'acquisizione, come detto precedentemente, è fatta in ima subroutine di interruzione causata dello scadere dei 5s determinati dal timer. I dati vengono acquisiti in sequenza per tutti gli 8 canali e memorizzati a partire dalla locazione di memoria TABDATI. La subroutine DELAY, non scritta, ma molto semplice del resto, serve come ciclo di ritardo per la conversione dell'a/d. Di seguito si propongono due soluzioni, una in assembler Z80 e l'altra in assembler L'algoritmo presuppone quanto segue: - i tre bit di indirizzo meno significativi A2-A^- A^ per un sistema Z80 ed A^-A2- A^ per un sistema 8086 sono collegati agli ingressi di selezione del multiplexer e vengono

7 532 TEMI DELLA PROVA SCRITTA DI MATURITÀ e) Collegamento con la stazione di controllo Dato che il sistema di acquisizione e monitoraggio si trova su un mezzo in movimento senza alcun collegamento fisico con il sistema di controllo è evidente che l'unico modo possibile per trasferire i dati acquisiti dalla vettura al centro di controllo è quello via radio. Il microprocessore invierà i dati al circuito modulatore di un trasmettitore. Per ridurre al minimo l'influenza dei disturbi su dati ricevuti dal centro di controllo si può utilizzare una trasmissione a modulazione di frequenza; tuttavia dato che la distanza tra trasmettitore e ricevitore è solo di 1 Km, e data la maggiore semplicità di un sistema di comunicazione basato sulla modulazione di ampiezza, si può prendere in considerazione la possibilità di utilizzare come metodo di trasmissione la modulazione di ampiezza ASK del tipo OOK (On Off Keying) mostrata in Fig. 76 Fig Segnale ASK di tipo OOK Con questo sistema di modulazione sono particolarmente semplici sia il modulatore del trasmettitore sia il rivelatore del ricevitore. Il modulatore infatti può essere reauzzato molto agevolmente con un modulatore bilanciato, costituito da 2 diodi, come mostrato in Fig. 77. Esso può essere pilotato direttamente dal microprocessore tramite una porta di I/O in uscita, nel qual caso il microprocessore si deve far carico di tutto il software di gestione della trasmissione, oppure può essere pilotato da un dispositivo specifico di comunicazione seriale. Per rendere meno complesso il ricevitore, si può adottare un metodo di rivelazione non coerente basato su un semplice rivelatore di inviluppo a diodo; questa scelta, nonostante la rivelazione coerente sia innegabilmente migliore, è basata sul fatto che a queste distanze il segnale ricevuto è sicuramente elevato come pure il rapporto S/N. Portante Segnale modulato OOK Segnale Dati Fig Modulatore ^Sff per segnali OOK Il bit rate è così piccolo che una trasmissione dati con modalità asincrona è largamente sufficiente infatti il numero di bit da trasmettere è molto piccolo (64 bit di dato) nel tempo a disposizione (5 s). I dati possono essere strutturati ad esempio nel modo seguente STB CHO CHI CH2 CH3 CH4 CH 5 CH6 CH7 dove gli 8 byte di dato sono preceduti da un byte di inizio blocco, inserito per identificare l'inizio della sequenza.